Neue Dimensionen der HMI-Implementierung ohne großen Ressourceneinsatz

Von Sreedharan Bhaskaran, Senior Manager, Software Engineering, Bridgetek Pte Ltd

Die Markteinführung des iPhone vor gut zehn Jahren war Vorbote großer Veränderungen in mehreren wichtigen Bereichen unsere Alltags. Diese bahnbrechenden Produkte sollten eine Schlüsselrolle darin spielen, wie wir seither mit Technologie interagieren – durch Berührung. Touchscreens waren zwar schon viele Jahre zuvor im Einsatz, aber dieses Produkt (und die Produkte anderer Hersteller, die bald darauf folgten), sollten sich weltweit durchsetzen. Inzwischen haben sie massive Veränderungen an der Funktionsweise der gesamten Gesellschaft bewirkt, und wir fänden es schwierig, ohne sie zu leben.

Traditionelle Mensch-Maschine-Schnittstellen (Human Machine Interface - HMI), die früher hauptsächlich aus Tastern, Knöpfen und Schaltern plus einer 7-Segment-LED-Anzeige oder einer Matrixanzeige bestanden, wurden durch TFT-LCD-Vollfarbbildschirme mit Ton, Video, Animation und Touchfunktionalität ersetzt. Verarbeitungsgeschwindigkeiten im Anwendungsprozessorbereich haben mit der Entwicklung Schritt gehalten, aber die Mikrocontroller (MCUs), die in den üblichen elektronischen Geräten die Routinearbeiten ausführen, haben ihre Rechenleistung nicht wesentlich erhöht.

Die meisten MCUs heute werden vom altehrwürdigen 8051-Kern oder einem Kern der Arm®-Cortex®-M-Serie angetrieben und sind vor allem für Steuerungs- und Erfassungsaufgaben konzipiert. Sie sind nicht wie die teureren und leistungsstärkeren Anwendungsprozessoren mit Grafikprozessoren (GPUs) ausgestattet. Das ist die Krux an der Sache: Nachdem die Leute sich daran gewöhnt haben, wie gut eine Interaktion durch Berührung funktionieren kann, erwarten sie das gleiche Erlebnis, die gleichen Reaktionen wie von einem Smartphone auch von anderen Geräten (ob dies nun Einzelhandel, Medizintechnik oder Industrie betrifft). MCUs können jedoch nicht das gleiche Level an Benutzerkomfort bieten. Oder nur mit Unterstützung.

Soll die System-MCU sich um die HMI kümmern, muss ein Teil der Rechenleistung für Aufgaben abgezweigt werden, die nicht zur Hauptaufgabe gehören. Dadurch wird die Gesamtleistung beeinträchtigt. Da Displays Pixel für Pixel angezeigt und aktualisiert werden müssen, sind außerdem ein Bildspeicher erforderlich und ein großer Flash-Speicher zur Speicherung all der grafischen Daten. Diese Komponenten benötigen Platz, erhöhen den Stromverbrauch und die Materialkosten.

Mit einem innovativen, objektorientierten Ansatz nimmt sich Bridgetek mit der preisgekrönten IC-Serie Embedded Video Engine (EVE) der technologischen Lücke an, die sich im HMI-Bereich aufgetan hat. In jedem dieser Geräte befinden sich eine leistungsstarke GPU, ein Displaybefehlsprozessor, ein JPEG-Decoder, ein Audioprozessor und ein Touchprozessor. Wird ein EVE-Chip mit einer Standard-MCU zusammen verwendet, lässt sich die Benutzererfahrung eines Top-Smartphones ziemlich gut nachbilden.

Die EVE kann die HMI-Systeme optimieren, indem sie sich um alle Bild- und Audioinhalte kümmert, die in Form zahlreicher Objekte mit vordefinierten Merkmalen (Kreise, Rechtecke, Töne usw.) erforderlich sind. Das bedeutet, es muss nicht mehr auf jedes Detail der Grafiken und Geräusche zugegriffen werden, die in dieser HMI enthalten sind, sondern jedes Element bekommt einen einfachen Identifier zugewiesen. So wird die Menge der dafür zu übertragenden Daten erheblich verringert, die MCU wird entlastet und ein Bildspeicher bzw. großer Flash-Speicher ist überflüssig. Sind komplexere Objekte – wie Schieberegler, Flipflopschaltungen, Taktgeber und Messwertanzeigen – erforderlich, sind diese alle in einer umfangreichen vorprogrammierten Bibliothek verfügbar.

Bild von EVE-Beispielen in Haushaltsgeräten und Einzelhandelsanwendungen

Abbildung 1: EVE-Beispiele in Haushaltsgeräten und Einzelhandelsanwendungen (Bildquelle: Bridgetek)

Die EVE-Chips der dritten Generation, die Serie BT81X mit adaptiver skalierbarer Texturkomprimierung (ASTC), demonstrieren starke Fähigkeiten beim eigenständigen Immediate-Mode-Rendering. Sie können Display-Auflösungen bis zu 1280 x 720 Pixel, Bildschirmdiagonalen von bis zu 11 Zoll und kapazitive Touchscreens mit einer Touch-Point-Erkennung für bis zu fünf Punkte unterstützen. EVE kann herkömmlicher Elektronik-Hardware durch eine beträchtliche Modernisierung des HMI-Aspekts neues Leben einhauchen. Zu den zahlreichen Anwendungen, die von dieser Technologie profitieren, zählen: Kassensysteme, Haushaltsgeräte, Blutdruckmonitore, Stromzähler, Set-Top-Boxen, wissenschaftliche Instrumente, Aufzugsteuerungen, Sicherheitssysteme, industrielle Steuerungen, GPS-Navigationsgeräte, Herzfrequenzmonitore, Verkaufsautomaten und Heimautomatisierungssysteme. Abbildung 1 zeigt Beispiele, wo EVE-Technologie (in Verbindung mit einer MCU- oder SPI-Schnittstelle) implementiert ist: a) in einer modernen Waschmaschine, b) im intelligenten Regal einer Weinfachhandlung.

Ein weiteres riesiges Anwendungsfeld für modernere HMI-Implementierungen ist die Automobiltechnik. EVE erreicht bereits eine große Marktakzeptanz bei Elektrofahrzeugen und nachrüstbarem Automobilzubehör. EVE kann unter anderem auf Kombiinstrumente, Infotainmentkonsolen, Seiten- und Rückspiegelanzeigen, Head-up-Projektoren und Rückbank-Entertainmentkonsolen angewandt werden.

Es gibt Tausende von Sekundäranzeigen, die derzeit für Fahrzeuge entwickelt werden, um die zentrale Infotainmentkonsole zu unterstützen, die Autofahrt angenehmer zu machen und einen höheren Grad an Personalisierung zu erreichen. Sie können für Navigationszwecke, Multimedia-Entertainment und Konnektivität eingesetzt werden. In diesem Kontext kann EVE als integrierte HMI-Engine mit einer relativ kostengünstigen MCU kombiniert werden, um teure Anwendungsprozessoren, Flash- und DRAM-Speichersubsysteme zu ersetzen. Das Ergebnis ist eine unkomplizierte und kompakte Lösung auf einem viel wettbewerbsfähigeren Preisniveau.

Bild: EVE-Anwendung im Kombiinstrument eines Fahrzeugs

Abbildung 2: EVE-Anwendung im Kombiinstrument eines Fahrzeugs (Bildquelle: Bridgetek)

Abbildung 2 zeigt, wie EVE-Technologie bereits in Kombiinstrumenten und Instrumentenanlagen in der Automobiltechnik eingesetzt wird. Eine displaybasierte statt einer mechanischen Implementierung bringt viel mehr Flexibilität beim Design mit sich. Fahrer können leicht zwischen einem modernen und einem Retro-Look umschalten, je nach persönlichen Präferenzen. Oder sie können von der Standardansicht auf die Sportmodus-Ansicht wechseln. Das Farbschema kann ebenfalls je nach Geschmack geändert werden.

Bild: EVE in einer Anwendung zum Laden von Elektrofahrzeugen

Abbildung 3: EVE-Anwendung zum Laden von Elektrofahrzeugen (Bildquelle: Bridgetek)

Auch bei der Fahrzeugdiagnose gibt es viele Möglichkeiten. Abbildung 3 zeigt EVE im Armaturenbrett eines Elektrofahrzeugs. Hier nutzt eine MCU die Eingaben der relevanten ECUs, um mit EVE Schlüsselparameter auf dem Display über die Video-Playback-Funktion in auffälliger, animierter Form in Echtzeit anzuzeigen (zum Beispiel Geschwindigkeit, Reichweite, Drehzahl, Batterieladezustand und Energierückgewinnung).

Bild: Fahrzeugsitzeinstellung

Abbildung 4: Einstellung eines Fahrzeugsitzes (Bildquelle: Bridgetek)

Abbildung 4 zeigt eine Sitzeinstellungs-HMI. Hier übernimmt EVE die grafische Darstellung, die Wiedergabe auf dem Display und die Toucheingaben des Benutzers. Es können bevorzugte Einstellungen konfiguriert werden – Sitzposition, Rückenlehnenposition, Rückenlehnenhöhe usw. Diese Konfigurationen können als Voreinstellungen gespeichert und anschließend bei Bedarf aufgerufen werden.

Um Entwickler von EVE-Projekten zu unterstützen, wird die Plattform von einer umfangreichen Entwicklungssuite unterstützt. Diese umfasst: EVE Screen Designer (ESD), EVE Screen Editor (ESE) und EVE Asset Builder (EAB). ESD bietet ein hohes Abstraktionsniveau und präsentiert Entwicklern einen kompletten Workflow, der den gesamten EVE-Entwicklungszyklus unterstützt. Der Einsatz des Paradigmas der visuellen Programmierung ermöglicht eine schnelle HMI-Konstruktion. ESE ist eine intuitive HMI-Anwendung für EVE-Benutzer auf Anfängerniveau oder mittlerem Niveau. Dieses Tool hilft Benutzern, den Einsatz von EVE-Befehlen zu verstehen. Benutzer können ein einzelnes statisches Fenster erstellen, indem sie Objekte ziehen und ablegen oder die EVE-Befehle direkt eingeben, um Objekte auf dem Bildschirm zu instanziieren. Der integrierte EVE-Emulator stellt die Wirkung der Displaybefehle genau so dar, wie sie auf einem Bildschirm mit der gewählten Größe und Auflösung angezeigt würden. Die EAB-Anwendung dient der Konvertierung aller HMI-Assets (wie Bilder, Ton-, Video-, Schriftartdaten), sodass diese in einem EVE-kompatiblen Format kombiniert werden können.

Die EVE-Ressourcen (mit Chips und unterstützender Toolchain) bieten die Mittel zur Erstellung lebendiger, farbenfroher und funktionsreicher berührungsgesteuerter HMIs, die zu befriedigenderen Benutzererfahrungen führen. Darüber hinaus muss dazu kein teurer Anwendungsprozessor-IC spezifiziert werden. Das Potenzial dieser Technologie wird nun in einer wachsenden Anzahl von Industriesektoren erkannt – bei einer zunehmenden Prävalenz im Automobilbereich.

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Sreedharan Bhaskaran, Senior Manager, Software Engineering, Bridgetek Pte Ltd